Verónica González NúñezUniversidad de Salamanca

15. REGULACION DE LA EXPRESION GENICA EN EUCARIONTES (III)

Regulación de la Iniciación de la Transcripción

Estructura y dominios estructurales de los factores de transcripción

1. Interacciones específicas DNA # proteína

2. Láminas β antiparalelas = Anti-parallel β-sheet

3. Dedos de Zn = Zn fingers

4. Cremalleras de Leucina = Leu zipper

5. Hélice – Giro – Hélice = Helix – Turn - Helix (HTH)

ESQUEMA. Regulación de la expresión génica en eucariontes (III)

Generalidades

Las proteínas de unión al DNA no rompen los puentes de hidrógeno entre las dos cadenas del DNA

Reconocen 4 tipos de pares de bases [A T, T A, G C & C G], de acuerdoa su disposición en los surcos mayor y menor del DNA

Cada par de bases presenta una conformación única de los grupos que pueden formar puentes de hidrógeno con el H2O ó con proteínas

- surco menor del B-DNA: demasiado estrecho para acomodar una α-hélice

- el surco mayor: generalmente es el punto de interacción DNA # proteína

La mayoría de los motivos estructurales de los TF que interaccionan con el DNA constituyen una plataforma que permite la introducción de una α-hélice en el surco mayor del DNA

Las proteínas de unión al DNA reconocen las secuencias de bases del surco

INTERACCIONES ESPECIFICAS DNA # PROTEINA (I)

Interacciones específicas DNA # proteína (II)

Aceptor en un puente de hidrógeno

Donador en un puente de hidrógeno

Grupo metilo

Hidrógeno

Leyenda

Interacciones DNA # Proteína

Interacciones estructurales complejas

- puentes de hidrógeno: grupos donadores vs. aceptores de hidrógeno

- interacciones electrostáticas: puentes salinos

- fuerzas de Van der Waals

Las secuencias de DNA son regiones palindrómicas con simetría binaria

La mayoría de los factores de transcripcion (TF) también presentan un eje

de simetría binario

Interacciones específicas DNA # proteína (III)

Ejemplos

Represor Met en procariontes

Unión al DNA cuando tiene SAM unido

Tetrámero con disposición modular dimérica

Cada subunidad del dímero dona una β-lámina para formar el motivo de unión

Cada dímero reconoce una mitad de la secuencia palindrómica

TBP = TATA Box Binding Protein

β-LAMINAS ANTIPARALELAS = ANTIPARALLEL β-SHEET (I)

Casos excepcionales

Eje de simetría binaria: las β-láminas de un monómero se organizan

simétricamente con las de otro monómero

Las dos estructuras se unen a dos surcos mayores consecutivos de una

región palindrómica del DNA

β-láminas antiparalelas = antiparallel β-sheet (II)

Vista frontal (perpendicular al eje de la hélice del DNA)

Vista lateral (paralela al eje de la helice del DNA) 

Estructura de un dímero del represor Met

Fuente de las imágenes: RCSB PDB. N. acceso: 1CMA

DEDOS DE Zn = Zn FINGERS (I)

Estructura modular: 2 – 37 dedos por TF

Amplia diversidad estructural entre los distintos TF con dedos de Zn

Cada dedo de Zn está formado por aproximadamente 30 αα

‐ 2 Cys invariables

‐ 2 His invariables: en algunos casos las His son sustituidas por Cys

‐ varios residuos hidrofóbicos conservados

‐ un ion Zn2+ coordinado tetraédricamente con las 2 Cys y las 2 His

C

C

C

C

Zn

C

C

C

C

ZnEstructura de un dominio con dos dedos de Zn Cys2‐Cys2

Función

Un dedo de Zn une dos estructurasglobulares pequeñas 

Mecanismo de interacción

Los  dedos  de  Zn se  estructuran  en       dominios de interacción con el DNA

Encajan en el surco mayor del DNA

Interaccion específica con el DNA por medio de puentes de hidrógeno  Arg # G

Interacciones inespecíficas: gruposfosfato del DNA con Arg e His

Si hay varios dedos de Zn en un mismoTF, éstos reconocen segmentosconsecutivos en el DNA

Dedos de Zn = Zn fingers (II)

Zn

Znfinger

Dominios de dedos de Zninteraccionando con el DNA

Imagen modificada a partir de:RCSB PDB. N. acceso: 3FYL

Dedos de Zn Cys2-His2

Estructura: aprox. 23 αα - X3 – Cys – X2-4 – Cys – X12 – His – X3-4 – His – X4 –

El extremo N-terminal se organiza como una β-láminaEl extremo C-terminal se organiza como una α-hélice

Ejemplos: Sp1, protooncogenes

Cys

Cys

His

HisZn

Cys

Cys

His

His

Zn

Zn

Estructura de undedo de Zn Cys2‐His2

Imagen modificada a partir de:RCSB PDB. N. acceso: 1VA1

Generalmente, 8 Cys que coordinan 2 Zn2+

Se unen a regiones similares del DNA separadas entre sí por un espaciador de longitud variable

Dedos de Zn Cys2-Cys2

Imagen modificada a partir de:RCSB PDB. N. acceso:3GU8

Estructura de un dímero del receptor de glucocorticoidescon dos dedos de Zn Cys2‐Cys2 por monómero

ZnEstos  receptores  tienden  a dimerizar cuando se unen al DNA, permitiendo  la  entrada  de  la        α‐hélice  N‐terminal en  el  surco mayor

Unión  cooperativa de  los  dos monómeros entre sí y al DNA

En receptores de glucocorticoidesy otros receptores  nucleares

Estructura binuclear

Cada ion Zn2+ está coordinado tetraédricamente con 4 Cys

Dos de estas Cys interaccionan con los dos átomos de Zn2+

El módulo presenta dos α‐hélices cortas conectadas por un lazo, de forma que la estructura posee dos pseudoejes de simetría

La hélice N‐terminal encaja en el  surco mayor del DNA,  interaccionando con una secuencia consenso

Ejemplo: GAL4 de levaduras   activador de genes que metabolizan Gal

Dedos de Zn binucleares Cys6

Imagen modificada a partir de:RCSB PDB. N. acceso: 1AW6Estructura de dedo de Zn binuclear Cys6

Zn

Extremo N‐terminal (1‐65)

‐ 6 Cys coordinadas con 2 Zn2+

Unión a una región palindrómica del elemento de respuesta 

‐ Linker (41 – 49)

‐ Pequeña hélice de dimerización (50–64)

Asociación formando una superhélice (coiled coil), estabilizada por  interaccioneshidrofóbicas entre 3 Leu y 2 Val

Se localiza sobre el surco menor del DNA, que coincide con el eje de simetría

Región intermedia (65‐94)

Implicada en la dimerización

Gal4 & dedos de Zn binucleares Cys6 (I)

Región C‐terminal (148–196 & 768–881)

Regiones ácidas que actúan como transactivadores

La estructura tan abierta que permite la unión simultánea de otro TF al DNA

Unión al DNA como homodímero simétrico. Cada monómero presenta:

Gal4 & dedos de Zn binucleares Cys6 (II)

Fuente de la imagen:RCSB PDB. N. acceso: 3COQ

Estructura del dominio de unión al DNA y de dimerización de GAL4 

Estructura de unos 35 αα formada por dos α‐hélices

Pseudorepeticiones cada 7 αα = heptadas: (a‐g)nLos aa a y d son hidrofóbicos y se sitúan siempre en la misma cara de la α‐hélice

Dos α‐hélices: los αα d y d’ son siempre Leu, y los a y a’, generalmente Val

El resto de los residuos son polares y se sitúan en las otras caras de las hélices

Las cadenas laterales de las Leu opuestas establecen contactos hidrofóbicos entre sí: la estructura se asemeja a una cremallera

Dimerización y formación de una superhélice = coiled coil domain

CREMALLERAS DE LEUCINA = Leu ZIPPERS (I)

a

c g

e

d

b

fa’

c‘g‘

e’

d’

b’

f‘a

c g

e

d

b

f

a

c g

e

d

b

f

a

c g

e

d

b

f

a

c g

e

d

b

f

Las Leu zippers permiten

- la dimerización de los TF: homo- y heterodímeros

- la asociación cooperativa de varios TF sobre el DNA

Pero NO es el motivo de unión al DNA

(el motivo se unión suele ser una α-hélice básica)

Las Leu zippers acercan una pareja de módulos de unión al DNA para que se unan a secuencias adyacentes

Ejemplos de TF con Leu zippers

- C/EBP (CCAAT / Enhancer Binding Protein)se une a la caja CCAAT

- GCN4 de levaduras

- protooncogenes. ej. c-fos / c-jun = heterodímero AP-1

- CREB: cAMP Response Element (CRE) Binding Protein

Cremalleras de leucina = Leu zippers (II)

Fuente de la imagen:RCSB PDB. N. acceso: 3NMD

Estructura de una Leu zipper

bZIP = Basic Region Leu Zipper (I)

Motivo presente en algunos TF

Región de unión al DNA: α-hélice de carácter básico – reconocimiento del DNA

- delante de la cremallera de Leu; separación de 7 αα

- ausencia total de Gly y Pro (αα desestabilizadores de las α-hélices)

- los αα básicos realizan contactos polares con las bases del DNA y con losgrupos fosfato

- Leu zipper: dominio de dimerización

Asn invariable

DKNSNEYRVRRERNNIAVRKSRDKAKQRNVETQQKVLELTSDNDRLRKRVEQLSRELDTLRG

Dominio básico de unión al DNA Linker Cremallera de Leucina

Estructura bZIP de C/EBP

bZIP = Basic Region Leu Zipper (II)

Los TFs actúan como dímeros: las dos α‐hélices de reconocimiento se unen a dos

surcos mayores, como una estructura en tijera

El eje de la proteína es perpendicular al DNA

Ejemplo: CRE ‐ región palindrómica de 8bp CREB ‐monómeros de 43 kDa

cAMP en la célula: se activa la PKA

Fosforilación de CREB

P‐CREB dimerizan por  sus Leu zippers C‐terminales

eficacia de CREB como activador de la transcripción

bZIP = Basic Region Leu Zipper (III)

Fuente de la imagen:RCSB PDB. N. acceso: 1DGC

Estructura de bZIP unida a la secuencia de reconocimiento en el DNA

Estructura supersecundaria formada por dos hélices enlazadas entre sí por un giro ó codo

2 motivos distintos

hélice – bucle – hélice = helix – loop – helix (HLH)

el bucle tiene una estructura no ordenada y es más largo que el giro

hélice – giro – hélice = helix – turn – helix (HTH)

el giro es muy corto, no es un giro en β y el primer αα es Gly

HELICE – GIRO – HELICE = HELIX – TURN - HELIX -HTH- (I)

Fuente de la imagen:RCSB PDB. N. acceso: 6CRO

Estructura de HTH unida a  la secuencia de reconocimiento en el DNA

α‐hélicede reconocimiento

α‐hélice

giro

Estructura con un eje de simetría binario constituida por 20 αα

Primera α-hélice (corta): αα 1-7

Giro: αα 8-11: ángulo de 120° entre las dos hélices

generalmente, el αα 9 es Gly (“helix breaker”) para permitir el giro de la hélice

Segunda α-hélice (corta): αα 12-20

Hélice de reconocimiento que interacciona con el DNA

Los residuos de la cara no opuesta a la otra hélice interaccionan con las basesnitrogenadas del surco mayor

Las interacciones no polares entre las cadenas laterales enfrentadas de

las dos hélices estabilizan la estructura supersecundaria

Estructura Hélice - Giro - Hélice -HTH- (II)

Estructura Hélice - Giro - Hélice -HTH- (III)

Dominios relacionados evolutivamente

Homología en su secuencia proteica

Fuente de la imagen:RCSB PDB. N. acceso: 6CRO

Estructura de un dímero con dos motivos HTH unido a la secuencia de reconocimiento en el DNA

Ejemplos  de  proteínas con este motivo

En procariontes

‐ proteína CAP

‐ represor trp

‐ proteínas Cro debacteriófagos

En eucariontes

‐ dominios homeóticos

b/HLH = basic / Helix – Loop – Helix

Estructura más compleja

- región básica de unión al DNA

- 2 α-hélices anfipáticas conectadas porun giro

median la dimerización de la proteína

- muchas veces este motivo está

seguido por una cremallera de Leu

se potencia la dimerización = b/HLH/Z

Ejemplo

proteína Max, que dimeriza con Myc

Fuente de la imagen:RCSB PDB. N. acceso: 1NKP

Estructura de un dímero Myc‐Max con b/HLH/Z unido a la secuencia de reconocimiento en el DNA

α‐hélice básica(reconocimiento del DNA)

HLH

Leu Zipper

Presentes en eucariontes

Controlan la planificación estructural básica del embrión

segmentos del tórax, abdomen, localización de las extremidades etc

Una mutación en estos genes provoca la transformación de una parte

del cuerpo en otra, la duplicación ó la supresión de segmentos enteros

Homeodominios ó dominos homeóticos (I)

Los dominios homeóticos están altamente conservados a lo largo de

la evolución

Accion como monómeros

DNA

La secuencia de reconocimiento de estos dominios es la secuencia

homeo de 180bp

Dominio homeótico

Dominio proteico de 60 αα rico en residuos básicos

Forma una estructura con un brazo N-terminal extendido y 3 α-hélices

Las hélices 1 & 2 son antiparalelas entre sí y perpendiculares a la hélice 3

El brazo N-terminal encaja en el surco menor

&

La hélice 3 interacciona con el DNA del surco mayor

Homeodominios ó dominos homeóticos (II)

Homeodominios ó dominos homeóticos (III)

Fuente de las imágenes:RCSB PDB. N. acceso: 1B72

Estructura de una proteína homeótica (con dos homeodominios)unida a la secuencia de reconocimiento del DNA

α‐hélices 1 & 2

α‐hélice 3(encaja en el surco mayor)

brazo N‐terminal(encaja en el surco menor)

Drosophila

ANT-C: antennapedia

Regula la cabeza y los segmentos torácicos anteriores

BX-C: bithorax

Regula los segmentos torácicos posteriores y los abdominales

Vertebrados: genes HOX dispuestos en 4 grupos HOXA–HOXD

La ordenación de los genes en los clusters

Se ha conservado a lo largo de la evolución

Se corresponde con su orden de actuación en el eje anteroposterior del embrión

Familias de genes homeoticos